Efektīvā kodola lādiņa kalkulators

Ievads

Efektīvā kodola lādiņa kalkulators (Z_eff) ir būtisks rīks, lai izprastu atomu struktūru un ķīmisko uzvedību. Efektīvais kodola lādiņš pārstāv faktisko kodola lādiņu, ko piedzīvo elektrons daudzelektronu atomā, ņemot vērā citu elektronus radīto aizsardzības efektu. Šī pamata koncepcija palīdz izskaidrot periodiskās tendences atomu īpašībās, ķīmiskajā saistībā un spektroskopiskajās īpašībās.

Mūsu lietotājam draudzīgais efektīvā kodola lādiņa kalkulators izmanto Slatera noteikumus, lai sniegtu precīzus Z_eff vērtības jebkuram elementam periodiskajā tabulā. Vienkārši ievadiet atomu skaitu un izvēlieties interesējošo elektronu apvalku, un jūs varat nekavējoties noteikt efektīvo kodola lādiņu, ko piedzīvo elektroni šajā apvalkā.

Efektīvā kodola lādiņa izpratne ir būtiska studentiem, pedagogiem un pētniekiem ķīmijā, fizikā un materiālu zinātnē. Šis kalkulators vienkāršo sarežģītas aprēķinus, vienlaikus sniedzot izglītojošas atziņas par atomu struktūru un elektronu uzvedību.

Kas ir efektīvais kodola lādiņš?

Efektīvais kodola lādiņš (Z_eff) pārstāv neto pozitīvo lādiņu, ko piedzīvo elektrons daudzelektronu atomā. Lai gan kodolā ir protoni ar pozitīviem lādiņiem, kas ir vienādi atomu skaitam (Z), elektroni neizjūt šo pilno kodola lādiņu, ņemot vērā aizsardzības efektu (tā arī sauc par ekrāna efektu) no citiem elektroniem.

Attiecība starp faktisko kodola lādiņu un efektīvo kodola lādiņu ir dota ar:

$Z_{eff} = Z - S$

Kur:

• Z_eff ir efektīvais kodola lādiņš
• Z ir atomu skaits (protonu skaits)
• S ir ekrāna konstante (kodola lādiņa daudzums, ko ekrāna citi elektroni)

Efektīvais kodola lādiņš izskaidro daudzas periodiskās tendences, tostarp:

• Atomu rādiuss: Palielinoties Z_eff, elektroni tiek pievilkti ciešāk pie kodola, samazinot atomu rādiusu
• Ionizācijas enerģija: Augstāks Z_eff nozīmē, ka elektroni tiek turēti ciešāk, palielinot ionizācijas enerģiju
• Elektronu afinitāte: Augstāks Z_eff parasti noved pie stiprākas pievilkšanas papildu elektroniem
• Elektronegativitāte: Elementi ar augstāku Z_eff parasti stiprāk pievelk kopīgos elektronus

Slatera noteikumi efektīvā kodola lādiņa aprēķināšanai

1930. gadā fiziķis Džons C. Slaters izstrādāja noteikumu kopumu, lai aptuveni noteiktu ekrāna konstanti (S) daudzelektronu atomos. Šie noteikumi sniedz sistemātisku metodi efektīvā kodola lādiņa aprēķināšanai, neizmantojot sarežģītus kvantu mehāniskos aprēķinus.

Elektronu grupēšana Slatera noteikumos

Slatera noteikumi sākas ar elektronu grupēšanu šādā secībā:

1. (1s)
2. (2s, 2p)
3. (3s, 3p)
4. (3d)
5. (4s, 4p)
6. (4d)
7. (4f)
8. (5s, 5p) ... un tā tālāk

Ekrāna konstantes saskaņā ar Slatera noteikumiem

Ekrāna konstantes ieguldījums no dažādām elektronu grupām seko šiem noteikumiem:

1. Elektroni grupās, kas ir augstāk par interesējošo elektroniku, iegulda 0.00 ekrāna konstantei
2. Elektroni tajā pašā grupā kā interesējošais elektrons:
   • 1s elektroniem: citi elektroni grupā iegulda 0.30 S
   • ns un np elektroniem: citi elektroni grupā iegulda 0.35 S
   • nd un nf elektroniem: citi elektroni grupā iegulda 0.35 S
3. Elektroni grupās, kas ir zemāk par interesējošo elektroniku, iegulda:
   • 0.85 S par katru elektroniku (n-1) apvalkā
   • 1.00 S par katru elektroniku apvalkos, kas ir zemāki par (n-1)

Piemēra aprēķins

Oglekļa atomam (Z = 6) ar elektronu konfigurāciju 1s²2s²2p²:

Lai atrastu Z_eff 2p elektronam:

• Grupa 1: (1s²) iegulda 2 × 0.85 = 1.70 S
• Grupa 2: (2s²2p¹) citi elektroni tajā pašā grupā iegulda 3 × 0.35 = 1.05 S
• Kopējā ekrāna konstante: S = 1.70 + 1.05 = 2.75
• Efektīvais kodola lādiņš: Z_eff = 6 - 2.75 = 3.25

Tas nozīmē, ka 2p elektrons oglekļa atomā piedzīvo efektīvo kodola lādiņu aptuveni 3.25, nevis pilnu kodola lādiņu 6.

Kā izmantot efektīvā kodola lādiņa kalkulatoru

Mūsu kalkulators vienkāršo sarežģīto Slatera noteikumu piemērošanas procesu. Izpildiet šīs darbības, lai aprēķinātu efektīvo kodola lādiņu jebkuram elementam:

1. Ievadiet atomu skaitu (Z): Ievadiet interesējošā elementa atomu skaitu (1-118)
2. Izvēlieties elektronu apvalku (n): Izvēlieties galveno kvantu skaitli (apvalku), par kuru vēlaties aprēķināt efektīvo kodola lādiņu
3. Skatiet rezultātu: Kalkulators nekavējoties parādīs efektīvo kodola lādiņu (Z_eff), ko piedzīvo elektroni šajā apvalkā
4. Izpētiet vizualizāciju: Novērojiet atomu vizualizāciju, kas rāda kodolu un elektronu apvalkus, ar izvēlēto apvalku izceltu

Kalkulators automātiski validē jūsu ievades, lai nodrošinātu, ka tās ir fiziski jēgpilnas. Piemēram, jūs nevarat izvēlēties elektronu apvalku, kas neeksistē dotajam elementam.

Izpratne par rezultātiem

Aprēķinātais efektīvais kodola lādiņš jums saka, cik stipri elektroni noteiktajā apvalkā tiek pievilkti pie kodola. Augstākas vērtības norāda uz stiprāku pievilkšanu, kas parasti saistās ar:

• Mazāku atomu rādiusu
• Augstāku ionizācijas enerģiju
• Lielāku elektronegativitāti
• Spēcīgākām saistīšanās spējām

Vizualizācijas funkcijas

Atomu vizualizācija mūsu kalkulatorā sniedz intuitīvu attēlojumu par:

• Kodolam, kas apzīmēts ar atomu skaitu
• Elektronu apvalkiem kā koncentriskām aprindām ap kodolu
• Izvēlētā apvalka izcelšanu, par kuru tiek aprēķināts Z_eff

Šī vizualizācija palīdz veidot izpratni par atomu struktūru un attiecībām starp elektronu apvalkiem un kodola lādiņu.

Efektīvā kodola lādiņa aprēķinu lietošanas gadījumi

Efektīvā kodola lādiņa izpratne ir noderīga daudzās jomās ķīmijā, fizikā un saistītās jomās:

1. Izglītības lietojumi

• Mācot periodiskās tendences: Demonstrējot, kāpēc atomu rādiuss samazinās pa periodu un palielinās pa grupu
• Izskaidrojot saistīšanās uzvedību: Ilustrējot, kāpēc elementi ar augstāku efektīvo kodola lādiņu veido spēcīgākas saites
• Izprotot spektroskopiju: Palīdzot studentiem saprast, kāpēc emisijas un absorbcijas spektri atšķiras starp elementiem

2. Pētniecības lietojumi

• Kompjūterķīmija: Sniedzot sākotnējos parametrus sarežģītākiem kvantu mehāniskajiem aprēķiniem
• Materiālu zinātne: Prognozējot jaunu materiālu īpašības, pamatojoties uz atomu raksturlielumiem
• Zāļu dizains: Izprotot elektronu sadalījumu molekulās farmaceitiskajā attīstībā

3. Praktiskie lietojumi

• Ķīmiskā inženierija: Optimizējot katalizatorus, pamatojoties uz elementu elektroniskajām īpašībām
• Pusvadītāju dizains: Izvēloties piemērotus dopantus, pamatojoties uz to elektroniskajām īpašībām
• Akumulatoru tehnoloģija: Izstrādājot uzlabotus elektroda materiālus ar vēlamajām elektroniskajām īpašībām

Alternatīvas

Lai gan Slatera noteikumi sniedz vienkāršu metodi efektīvā kodola lādiņa novērtēšanai, pastāv alternatīvi pieejas:

1. Kvantu mehāniskie aprēķini: Precīzākas, bet aprēķinu ziņā intensīvas metodes, piemēram, Hartree-Fock vai blīvuma funkcionāla teorija (DFT)
2. Clementi-Raimondi efektīvie kodola lādiņi: Empīriski iegūtas vērtības, pamatojoties uz eksperimentāliem datiem
3. Zeff no atomu spektriem: Efektīvā kodola lādiņa noteikšana no spektroskopiskajiem mērījumiem
4. Pašpietiekamu lauku metodes: Iteratīvas pieejas, kas aprēķina elektronu sadalījumus un efektīvo kodola lādiņu vienlaicīgi

Katrā metodē ir savas priekšrocības un ierobežojumi, un Slatera noteikumi piedāvā labu līdzsvaru starp precizitāti un vienkāršību izglītības un daudziem praktiskiem mērķiem.

Efektīvā kodola lādiņa koncepcijas vēsture

Efektīvā kodola lādiņa koncepcija ir attīstījusies līdz ar mūsu izpratni par atomu struktūru:

Agrīnie atomu modeļi

20. gadsimta sākumā zinātnieki, piemēram, Dž. Dž. Tomsons un Ernests Rūderfords, noteica pamata atomu struktūru ar pozitīvi lādētu kodolu, kas ieskauj elektronus. Tomēr šie modeļi nevarēja izskaidrot periodiskās tendences elementu īpašībās.

Bora modelis un tālāk

Nīls Bors 1913. gadā ieviesa kvantizētus elektronu orbītas, taču joprojām izturējās pret elektroniem kā neatkarīgiem daļiņām. Bija skaidrs, ka elektronus savstarpējās mijiedarbības ir būtiskas, lai izprastu daudzelektronu atomus.

Slatera noteikumu izstrāde

1930. gadā Džons C. Slaters publicēja savu nozīmīgo rakstu "Atomu aizsardzības konstantes" žurnālā Physical Review. Viņš ieviesa empīrisku noteikumu kopumu, lai novērtētu ekrāna efektu daudzelektronu atomos, sniedzot praktisku metodi efektīvā kodola lādiņa aprēķināšanai, neizšķirot pilnu Šrēdingera vienādojumu.

Mūsdienu uzlabojumi

Kopš Slatera sākotnējā darba ir ierosināti dažādi uzlabojumi:

• Clementi-Raimondi vērtības (1963): Enriko Clementi un Daniele Raimondi publicēja precīzākas Z_eff vērtības, pamatojoties uz Hartree-Fock aprēķiniem
• Kvantu mehāniskās metodes: Kvantu mehāniskās pieejas, kas aprēķina elektronu blīvuma sadalījumus ar pieaugošu precizitāti
• Relativistiskie efekti: Atzīšana, ka smagiem elementiem relativistiskie efekti būtiski ietekmē efektīvo kodola lādiņu

Šodien, lai gan pastāv sarežģītākas metodes, Slatera noteikumi paliek vērtīgi izglītības nolūkiem un kā sākumpunkts sarežģītākiem aprēķiniem.

Koda piemēri efektīvā kodola lādiņa aprēķināšanai

Šeit ir Slatera noteikumu īstenojumi dažādās programmēšanas valodās:

1def calculate_effective_nuclear_charge(atomic_number, electron_shell):
2    """
3    Aprēķināt efektīvo kodola lādiņu, izmantojot Slatera noteikumus
4    
5    Parametri:
6    atomic_number (int): Elementa atomu skaits
7    electron_shell (int): Galvenais kvantu skaitlis apvalkam
8    
9    Atgriež:
10    float: Efektīvais kodola lādiņš
11    """
12    if atomic_number < 1:
13        raise ValueError("Atomu skaitam jābūt vismaz 1")
14        
15    if electron_shell < 1 or electron_shell > max_shell_for_element(atomic_number):
16        raise ValueError("Nederīgs elektronu apvalks šim elementam")
17    
18    # Aprēķināt ekrāna konstanti, izmantojot Slatera noteikumus
19    screening_constant = 0
20    
21    # Vienkāršota īstenošana parastajiem elementiem
22    if electron_shell == 1:  # K apvalks
23        if atomic_number == 1:  # Ūdeņradis
24            screening_constant = 0
25        elif atomic_number == 2:  # Hēlijs
26            screening_constant = 0.3
27        else:
28            screening_constant = 0.3 * (atomic_number - 1)
29    elif electron_shell == 2:  # L apvalks
30        if atomic_number <= 4:  # Li, Be
31            screening_constant = 1.7
32        elif atomic_number <= 10:  # B līdz Ne
33            screening_constant = 1.7 + 0.35 * (atomic_number - 4)
34        else:
35            screening_constant = 3.25 + 0.5 * (atomic_number - 10)
36    
37    # Aprēķināt efektīvo kodola lādiņu
38    effective_charge = atomic_number - screening_constant
39    
40    return effective_charge
41
42def max_shell_for_element(atomic_number):
43    """Noteikt maksimālo apvalka numuru elementam"""
44    if atomic_number < 3:
45        return 1
46    elif atomic_number < 11:
47        return 2
48    elif atomic_number < 19:
49        return 3
50    elif atomic_number < 37:
51        return 4
52    elif atomic_number < 55:
53        return 5
54    elif atomic_number < 87:
55        return 6
56    else:
57        return 7
58

1function calculateEffectiveNuclearCharge(atomicNumber, electronShell) {
2  // Validēt ievades
3  if (atomicNumber < 1) {
4    throw new Error("Atomu skaitam jābūt vismaz 1");
5  }
6  
7  const maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
8  if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
9    throw new Error("Nederīgs elektronu apvalks šim elementam");
10  }
11  
12  // Aprēķināt ekrāna konstanti, izmantojot Slatera noteikumus
13  let screeningConstant = 0;
14  
15  // Vienkāršota īstenošana parastajiem elementiem
16  if (electronShell === 1) {  // K apvalks
17    if (atomicNumber === 1) {  // Ūdeņradis
18      screeningConstant = 0;
19    } else if (atomicNumber === 2) {  // Hēlijs
20      screeningConstant = 0.3;
21    } else {
22      screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
23    }
24  } else if (electronShell === 2) {  // L apvalks
25    if (atomicNumber <= 4) {  // Li, Be
26      screeningConstant = 1.7;
27    } else if (atomicNumber <= 10) {  // B līdz Ne
28      screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
29    } else {
30      screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
31    }
32  }
33  
34  // Aprēķināt efektīvo kodola lādiņu
35  const effectiveCharge = atomicNumber - screeningConstant;
36  
37  return effectiveCharge;
38}
39
40function getMaxShellForElement(atomicNumber) {
41  if (atomicNumber < 3) return 1;
42  if (atomicNumber < 11) return 2;
43  if (atomicNumber < 19) return 3;
44  if (atomicNumber < 37) return 4;
45  if (atomicNumber < 55) return 5;
46  if (atomicNumber < 87) return 6;
47  return 7;
48}
49

1public class EffectiveNuclearChargeCalculator {
2    public static double calculateEffectiveNuclearCharge(int atomicNumber, int electronShell) {
3        // Validēt ievades
4        if (atomicNumber < 1) {
5            throw new IllegalArgumentException("Atomu skaitam jābūt vismaz 1");
6        }
7        
8        int maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
9        if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
10            throw new IllegalArgumentException("Nederīgs elektronu apvalks šim elementam");
11        }
12        
13        // Aprēķināt ekrāna konstanti, izmantojot Slatera noteikumus
14        double screeningConstant = 0;
15        
16        // Vienkāršota īstenošana parastajiem elementiem
17        if (electronShell == 1) {  // K apvalks
18            if (atomicNumber == 1) {  // Ūdeņradis
19                screeningConstant = 0;
20            } else if (atomicNumber == 2) {  // Hēlijs
21                screeningConstant = 0.3;
22            } else {
23                screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
24            }
25        } else if (electronShell == 2) {  // L apvalks
26            if (atomicNumber <= 4) {  // Li, Be
27                screeningConstant = 1.7;
28            } else if (atomicNumber <= 10) {  // B līdz Ne
29                screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
30            } else {
31                screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
32            }
33        }
34        
35        // Aprēķināt efektīvo kodola lādiņu
36        double effectiveCharge = atomicNumber - screeningConstant;
37        
38        return effectiveCharge;
39    }
40    
41    private static int getMaxShellForElement(int atomicNumber) {
42        if (atomicNumber < 3) return 1;
43        if (atomicNumber < 11) return 2;
44        if (atomicNumber < 19) return 3;
45        if (atomicNumber < 37) return 4;
46        if (atomicNumber < 55) return 5;
47        if (atomicNumber < 87) return 6;
48        return 7;
49    }
50    
51    public static void main(String[] args) {
52        // Piemērs: Aprēķināt Zeff 2p elektronam oglekļa atomā (Z=6)
53        int atomicNumber = 6;
54        int electronShell = 2;
55        double zeff = calculateEffectiveNuclearCharge(atomicNumber, electronShell);
56        System.out.printf("Efektīvais kodola lādiņš apvalkam %d elementā %d: %.2f%n", 
57                          electronShell, atomicNumber, zeff);
58    }
59}
60

1' Excel VBA funkcija efektīvā kodola lādiņa aprēķināšanai
2Function EffectiveNuclearCharge(atomicNumber As Integer, electronShell As Integer) As Double
3    ' Validēt ievades
4    If atomicNumber < 1 Then
5        EffectiveNuclearCharge = CVErr(xlErrValue)
6        Exit Function
7    End If
8    
9    Dim maxShell As Integer
10    maxShell = MaxShellForElement(atomicNumber)
11    
12    If electronShell < 1 Or electronShell > maxShell Then
13        EffectiveNuclearCharge = CVErr(xlErrValue)
14        Exit Function
15    End If
16    
17    ' Aprēķināt ekrāna konstanti, izmantojot Slatera noteikumus
18    Dim screeningConstant As Double
19    screeningConstant = 0
20    
21    ' Vienkāršota īstenošana parastajiem elementiem
22    If electronShell = 1 Then  ' K apvalks
23        If atomicNumber = 1 Then  ' Ūdeņradis
24            screeningConstant = 0
25        ElseIf atomicNumber = 2 Then  ' Hēlijs
26            screeningConstant = 0.3
27        Else
28            screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1)
29        End If
30    ElseIf electronShell = 2 Then  ' L apvalks
31        If atomicNumber <= 4 Then  ' Li, Be
32            screeningConstant = 1.7
33        ElseIf atomicNumber <= 10 Then  ' B līdz Ne
34            screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4)
35        Else
36            screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10)
37        End If
38    End If
39    
40    ' Aprēķināt efektīvo kodola lādiņu
41    EffectiveNuclearCharge = atomicNumber - screeningConstant
42End Function
43
44Function MaxShellForElement(atomicNumber As Integer) As Integer
45    If atomicNumber < 3 Then
46        MaxShellForElement = 1
47    ElseIf atomicNumber < 11 Then
48        MaxShellForElement = 2
49    ElseIf atomicNumber < 19 Then
50        MaxShellForElement = 3
51    ElseIf atomicNumber < 37 Then
52        MaxShellForElement = 4
53    ElseIf atomicNumber < 55 Then
54        MaxShellForElement = 5
55    ElseIf atomicNumber < 87 Then
56        MaxShellForElement = 6
57    Else
58        MaxShellForElement = 7
59    End If
60End Function
61

1#include <iostream>
2#include <stdexcept>
3#include <cmath>
4
5// Noteikt maksimālo apvalka numuru elementam
6int getMaxShellForElement(int atomicNumber) {
7    if (atomicNumber < 3) return 1;
8    if (atomicNumber < 11) return 2;
9    if (atomicNumber < 19) return 3;
10    if (atomicNumber < 37) return 4;
11    if (atomicNumber < 55) return 5;
12    if (atomicNumber < 87) return 6;
13    return 7;
14}
15
16// Aprēķināt efektīvo kodola lādiņu, izmantojot Slatera noteikumus
17double calculateEffectiveNuclearCharge(int atomicNumber, int electronShell) {
18    // Validēt ievades
19    if (atomicNumber < 1) {
20        throw std::invalid_argument("Atomu skaitam jābūt vismaz 1");
21    }
22    
23    int maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
24    if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
25        throw std::invalid_argument("Nederīgs elektronu apvalks šim elementam");
26    }
27    
28    // Aprēķināt ekrāna konstanti, izmantojot Slatera noteikumus
29    double screeningConstant = 0.0;
30    
31    // Vienkāršota īstenošana parastajiem elementiem
32    if (electronShell == 1) {  // K apvalks
33        if (atomicNumber == 1) {  // Ūdeņradis
34            screeningConstant = 0.0;
35        } else if (atomicNumber == 2) {  // Hēlijs
36            screeningConstant = 0.3;
37        } else {
38            screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
39        }
40    } else if (electronShell == 2) {  // L apvalks
41        if (atomicNumber <= 4) {  // Li, Be
42            screeningConstant = 1.7;
43        } else if (atomicNumber <= 10) {  // B līdz Ne
44            screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
45        } else {
46            screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
47        }
48    }
49    
50    // Aprēķināt efektīvo kodola lādiņu
51    double effectiveCharge = atomicNumber - screeningConstant;
52    
53    return effectiveCharge;
54}
55
56int main() {
57    try {
58        // Piemērs: Aprēķināt Zeff 2p elektronam oglekļa atomā (Z=6)
59        int atomicNumber = 6;
60        int electronShell = 2;
61        double zeff = calculateEffectiveNuclearCharge(atomicNumber, electronShell);
62        std::cout << "Efektīvais kodola lādiņš apvalkam " << electronShell 
63                  << " elementā " << atomicNumber << ": " << zeff << std::endl;
64    } catch (const std::exception& e) {
65        std::cerr << "Kļūda: " << e.what() << std::endl;
66        return 1;
67    }
68    
69    return 0;
70}
71

Īpaši gadījumi un apsvērumi

Pārejas metāli un d-orbītas

Pārejas metāliem ar daļēji piepildītām d-orbitām Slatera noteikumiem ir nepieciešama īpaša uzmanība. D-elektroni ir mazāk efektīvi ekrāna nekā s un p elektroni, kas noved pie augstākiem efektīvajiem kodola lādiņiem, nekā varētu gaidīt, pamatojoties uz vienkāršu elektronu skaitīšanu.

Smagie elementi un relativistiskie efekti

Elementiem ar atomu skaitiem, kas pārsniedz aptuveni 70, relativistiskie efekti kļūst nozīmīgi. Šie efekti liek iekšējiem elektroniem pārvietoties ātrāk un orbītēt tuvāk kodolam, mainot to ekrāna efektivitāti. Mūsu kalkulators īsteno atbilstošas korekcijas šiem elementiem.

Joni

Joniem (atomi, kas ieguvuši vai zaudējuši elektronus) efektīvā kodola lādiņa aprēķināšanai jāņem vērā mainītā elektronu konfigurācija:

• Kationi (pozitīvi lādēti joni): Ar mazāk elektroniem ir mazāk ekrāna, kas noved pie augstāka efektīvā kodola lādiņa atlikušajiem elektroniem
• Anjoni (negatīvi lādēti joni): Ar vairāk elektroniem ir palielināta ekrāna efekts, kas noved pie zemāka efektīvā kodola lādiņa

Uzbudinātās stāvokļi

Kalkulators pieņem, ka elektronu konfigurācijas ir pamatstāvoklī. Atomiem uzbudinātajos stāvokļos (kur elektroni ir pārcelti uz augstākām enerģijas līmeņiem) efektīvais kodola lādiņš atšķirsies no aprēķinātajām vērtībām.

Biežāk uzdotie jautājumi

Kas ir efektīvais kodola lādiņš?

Efektīvais kodola lādiņš (Z_eff) ir neto pozitīvais lādiņš, ko piedzīvo elektrons daudzelektronu atomā, ņemot vērā citu elektronu radīto ekrāna efektu. To aprēķina kā faktisko kodola lādiņu (atomu skaitu) mīnus ekrāna konstante.

Kāpēc efektīvais kodola lādiņš ir svarīgs?

Efektīvais kodola lādiņš izskaidro daudzas periodiskās tendences elementu īpašībās, tostarp atomu rādiusu, ionizācijas enerģiju, elektronu afinitāti un elektronegativitāti. Tas ir pamata jēdziens atomu struktūras un ķīmiskās saistības izpratnei.

Cik precīzi ir Slatera noteikumi?

Slatera noteikumi sniedz labas aptuvenas vērtības efektīvā kodola lādiņa aprēķināšanai, īpaši galvenajām grupām. Pārejas metāliem, lanthanīdiem un aktinīdiem šie aprēķini ir mazāk precīzi, bet joprojām ir noderīgi kvalitatīvai izpratnei. Precīzākas vērtības prasa kvantu mehāniskos aprēķinus.

Kā efektīvais kodola lādiņš mainās pa periodisko tabulu?

Efektīvais kodola lādiņš parasti palielinās no kreisās uz labo pusi pa periodu, jo palielinās kodola lādiņš ar minimālām papildu ekrāna sekām. Tas parasti samazinās uz leju pa grupu, pievienojot jaunus apvalkus, palielinot attālumu starp ārējiem elektroniem un kodolu.

Vai efektīvais kodola lādiņš var būt negatīvs?

Nē, efektīvais kodola lādiņš nevar būt negatīvs. Ekrāna konstante (S) vienmēr ir mazāka par atomu skaitu (Z), nodrošinot, ka Z_eff paliek pozitīvs.

Kā efektīvais kodola lādiņš ietekmē atomu rādiusu?

Augstāks efektīvais kodola lādiņš pievelk elektronus ciešāk pie kodola, radot mazākus atomu rādiusus. Tas izskaidro, kāpēc atomu rādiuss parasti samazinās pa periodu un palielinās pa grupu periodiskajā tabulā.

Kāpēc valences elektroni piedzīvo atšķirīgus efektīvā kodola lādiņus nekā kodola elektroni?

Kodola elektroni (tie, kas atrodas iekšējos apvalkos) aizsargā valences elektronus no pilnā kodola lādiņa. Valences elektroni parasti piedzīvo zemākus efektīvos kodola lādiņus nekā kodola elektroni, jo tie ir tālāk no kodola un piedzīvo vairāk ekrāna.

Kā efektīvais kodola lādiņš attiecās uz ionizācijas enerģiju?

Augstāks efektīvais kodola lādiņš nozīmē, ka elektroni tiek turēti ciešāk pie kodola, kas prasa vairāk enerģijas, lai tos noņemtu. Tas noved pie augstākām ionizācijas enerģijām elementiem ar lielākiem efektīvajiem kodola lādiņiem.

Vai efektīvo kodola lādiņu var izmērīt eksperimentāli?

Efektīvo kodola lādiņu nevar tieši izmērīt, bet to var secināt no eksperimentāliem datiem, piemēram, atomu spektriem, ionizācijas enerģijām un X-ray absorbcijas mērījumiem.

Kā efektīvais kodola lādiņš ietekmē ķīmisko saistību?

Elementi ar augstākiem efektīvajiem kodola lādiņiem parasti stiprāk pievelk kopīgos elektronus ķīmiskajās saitēs, radot augstāku elektronegativitāti un lielāku tendenci veidot jonu vai polāras kovalentās saites.

Atsauces

1. Slater, J.C. (1930). "Atomu aizsardzības konstantes". Physical Review. 36 (1): 57–64. doi:10.1103/PhysRev.36.57

2. Clementi, E.; Raimondi, D.L. (1963). "Atomu ekrāna konstantes no SCF funkcijām". The Journal of Chemical Physics. 38 (11): 2686–2689. doi:10.1063/1.1733573

3. Levine, I.N. (2013). Kvantu ķīmija (7. izdevums). Pearson. ISBN 978-0321803450

4. Atkins, P.; de Paula, J. (2014). Atkins' Fizikālā ķīmija (10. izdevums). Oksfordas universitātes izdevniecība. ISBN 978-0199697403

5. Housecroft, C.E.; Sharpe, A.G. (2018). Neorganiskā ķīmija (5. izdevums). Pearson. ISBN 978-1292134147

6. Cotton, F.A.; Wilkinson, G.; Murillo, C.A.; Bochmann, M. (1999). Advanced Inorganic Chemistry (6. izdevums). Wiley. ISBN 978-0471199571

7. Miessler, G.L.; Fischer, P.J.; Tarr, D.A. (2014). Neorganiskā ķīmija (5. izdevums). Pearson. ISBN 978-0321811059

8. "Efektīvais kodola lādiņš." Chemistry LibreTexts, https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Electronic_Structure_of_Atoms_and_Molecules/Electronic_Configurations/Effective_Nuclear_Charge

9. "Slatera noteikumi." Vikipēdija, Wikimedia Foundation, https://en.wikipedia.org/wiki/Slater%27s_rules

10. "Periodiskās tendences." Khan Academy, https://www.khanacademy.org/science/ap-chemistry-beta/x2eef969c74e0d802:atomic-structure-and-properties/x2eef969c74e0d802:periodic-trends/a/periodic-trends-and-coulombs-law

Izmēģiniet mūsu efektīvā kodola lādiņa kalkulatoru šodien

Mūsu lietotājam draudzīgais kalkulators padara vieglu efektīvā kodola lādiņa noteikšanu jebkuram elementam un elektronu apvalkam. Vienkārši ievadiet atomu skaitu, izvēlieties interesējošo apvalku un nekavējoties redziet rezultātu. Interaktīvā vizualizācija palīdz veidot izpratni par atomu struktūru un elektronu uzvedību.

Neatkarīgi no tā, vai esat students, kurš mācās par periodiskajām tendencēm, pedagogs, kurš māca atomu struktūru, vai pētnieks, kuram nepieciešami ātri efektīvā kodola lādiņa novērtējumi, mūsu kalkulators sniedz nepieciešamo informāciju skaidrā, pieejamā formātā.

Sāciet izpētīt efektīvo kodola lādiņu un tā ietekmi uz atomu īpašībām un ķīmisko uzvedību jau šodien!